無(wú)刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)的電磁干擾分析及抑制

李一鳴

（湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，岳陽(yáng) 414000）

1 引言

電磁干擾在電機(jī)控制中越來(lái)越成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，在無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用中, 如何減少電磁干擾也是一個(gè)重要的問(wèn)題[1]。在無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用中, 一方面, 要分析在電機(jī)供電系統(tǒng)中電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理；另一方面,在電機(jī)供電電路設(shè)計(jì)上如何盡量減少電磁干擾的產(chǎn)生。下面從電機(jī)整流逆變器方面來(lái)分析電磁干擾的產(chǎn)生及減少電磁干擾的措施。

2 干擾源分析

無(wú)刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)模型如圖1所示，無(wú)刷直流電機(jī)整流逆變器產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過(guò)程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開(kāi)關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換都是這類干擾源。無(wú)刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)中電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比如開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形、IGBT波形等。對(duì)于矩形波，周期的倒數(shù)決定了波形的基波頻率；兩倍脈沖邊緣上升時(shí)間或下降時(shí)間的倒數(shù)決定了這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型的值在MHz范圍，而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號(hào)都對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的基本信號(hào)，尤其是對(duì)控制電路的信號(hào)造成干擾。

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)原理圖

無(wú)刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)的電磁噪聲從噪聲源來(lái)說(shuō)可以分為兩大類。一類是外部噪聲，例如，通過(guò)電網(wǎng)傳輸過(guò)來(lái)的共模和差模噪聲、外部電磁輻射對(duì)供電系統(tǒng)控制電路的干擾等。另一類是供電系統(tǒng)自身產(chǎn)生的電磁噪聲，如開(kāi)關(guān)管電流尖峰產(chǎn)生的諧波及電磁輻射干擾。

如圖 2所示[2]，電網(wǎng)中含有的共模和差模噪聲對(duì)無(wú)刷直流供電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，供電系統(tǒng)在受到電磁干擾的同時(shí)也對(duì)電機(jī)負(fù)載產(chǎn)生電磁干擾（如圖中的返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾）。進(jìn)行無(wú)刷直流電機(jī)供電系統(tǒng) EMI設(shè)計(jì)時(shí)一方面要防止供電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)和附近的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，另一方面要加強(qiáng)供電系統(tǒng)本身對(duì)電磁騷擾環(huán)境的適應(yīng)能力。下面具體分析供電系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生的原因和途徑。

圖2 無(wú)刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)噪聲類型圖

2.1 電源線引入的電磁噪聲

電源線噪聲是電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩大類：共模干擾、差模干擾，如圖2所示。共模干擾是指任何載流導(dǎo)體與參考地之間不希望有的電位差；差模干擾是指任何兩個(gè)載流導(dǎo)體之間不希望有的電位差。共模干擾電流不通過(guò)地線，而通過(guò)輸入電源線傳輸。而差模干擾電流通過(guò)地線和輸入電源線回路傳輸。所以，我們?cè)O(shè)置電源線濾波器時(shí)要考慮到差模干擾和共模干擾的區(qū)別，在其傳輸途徑上使用差?；蚬材V波元件抑制它們的干擾，以達(dá)到最好的濾波效果。

2.2 輸入電流畸變?cè)斐傻脑肼?/h3>

無(wú)刷直流電機(jī)的供電系統(tǒng)中的直流電壓一般采用交流輸入電經(jīng)橋式整流、電容濾波型整流得到[3]。如圖3所示，在沒(méi)有PFC功能的輸入級(jí)，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲(chǔ)能作用，使得二極管的導(dǎo)通角變小，輸入電流Ii成為一個(gè)時(shí)間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。這種畸變的電流實(shí)質(zhì)上除了包含基波分量以外還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波分量不但產(chǎn)生的諧波污染，而且對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾。為了抑制整流逆變器對(duì)電機(jī)的污染和干擾，PFC電路是不可或缺的部分。

2.3 分布及寄生參數(shù)引起的供電系統(tǒng)噪聲

圖3 未加PFC的輸入電壓和輸入電流波形圖

整流逆變器的分布參數(shù)是多數(shù)干擾的內(nèi)在因素，例如供電系統(tǒng)和散熱器之間的分布電容就是噪聲源[4]。整流逆變器與散熱器之間的分布電容與開(kāi)關(guān)管的結(jié)構(gòu)以及開(kāi)關(guān)管的安裝方式有關(guān)。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開(kāi)關(guān)管與散熱器之間的分布電容。

如圖4所示，在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性，對(duì)其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。高頻工作時(shí)導(dǎo)線變成了發(fā)射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路。觀察圖4中的頻率特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率過(guò)高時(shí)各元件的頻率特性產(chǎn)生了相當(dāng)大的變化。為保證整流逆變器在高頻工作時(shí)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)時(shí)要充分考慮元件在高頻工作時(shí)的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。另外，在高頻時(shí)導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發(fā)射線，也就成為了供電系統(tǒng)中的輻射干擾源。

圖4 高頻工作下的元件頻率特性

3 EMI抑制措施

電磁兼容的三要素是干擾源、耦合通路和敏感體，抑制以上任何一項(xiàng)都可以減少電磁干擾問(wèn)題。整流逆變器工作在高電壓大電流的高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，其引起的電磁兼容性問(wèn)題是比較復(fù)雜的。但是，仍符合基本的電磁干擾模型，可以從三要素入手尋求抑制電磁干擾的方法。

3.1 整流逆變器中各類電磁干擾源抑制

為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量，開(kāi)關(guān)電源需要使用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)。PFC技術(shù)使得電流波形跟隨電壓波形，將電流波形校正成近似的正弦波。從而降低了電流諧波含量，改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性，同時(shí)也提高了電機(jī)的功率因數(shù)。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是減小開(kāi)關(guān)器件損耗和改善開(kāi)關(guān)器件電磁兼容特性的重要方法。開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓，這是開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生電磁干擾及開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使開(kāi)關(guān)管在零電壓、零電流時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換可以有效地抑制電磁干擾。

3.2 切斷電磁干擾傳輸途徑--共模、差模電源線濾波器設(shè)計(jì)

電源線干擾可用電源線濾波器濾除，整流逆變器EMI濾波器基本電路見(jiàn)圖5。一個(gè)合理有效的整流逆變器 EMI濾波器應(yīng)該對(duì)電源線上差模干擾和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。在圖5中CX1和 CX2叫做差模電容，L1叫做共模電感，CY1和 CY2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對(duì)差模和共模干擾有較強(qiáng)的衰減作用。

共模電感L1是在同一個(gè)磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個(gè)繞組構(gòu)成。通常使用環(huán)形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當(dāng)市網(wǎng)工頻電流在兩個(gè)繞組中流過(guò)時(shí)為一進(jìn)一出，產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好抵消，使得共模電感對(duì)市網(wǎng)工頻電流不起任何阻礙作用，可以無(wú)損耗地傳輸。如果市網(wǎng)中含有共模噪聲電流通過(guò)共模電感，這種共模噪聲電流是同方向的，流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)同相疊加，使得共模電感對(duì)干擾電流呈現(xiàn)出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。

實(shí)際使用中共模電感兩個(gè)電感繞組由于繞制工藝的問(wèn)題會(huì)存在電感差值，不過(guò)這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不必再設(shè)置獨(dú)立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2構(gòu)成了一個(gè)∏型濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減。

除共模電感以外，圖 5中的電容 CY1及 CY2也是用來(lái)濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時(shí)主要由電感器起作用，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1及CY2起作用。電容CY的選擇要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定，由于電容 CY接于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。

差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構(gòu)成，最簡(jiǎn)單的就是一只濾波電容接在兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路（如圖5中電容CX1），只要電容選擇適當(dāng)，就能對(duì)高頻干擾起到抑制作用。該電容對(duì)高頻干擾阻抗甚低，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過(guò)它，它對(duì)工頻信號(hào)的阻抗很高，故對(duì)工頻信號(hào)的傳輸毫無(wú)影響。該電容的選擇主要考慮耐壓值，只要滿足功率線路的耐壓等級(jí)，并能承受可預(yù)料的電壓沖擊即可。為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過(guò)大，一般在0.01～0.1 μF之間。電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

圖5 無(wú)刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)EMI濾波器

抑制輻射噪聲的有效方法就是屏蔽。可以用導(dǎo)電性能良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。供電系統(tǒng)中的連接線，電源線都應(yīng)該使用具有屏蔽層的導(dǎo)線，盡量防止外部干擾耦合到電路中?；蛘呤褂么胖椤⒋怒h(huán)等EMC元件，濾除電源及信號(hào)線的高頻干擾，但是，要注意信號(hào)頻率不能受到 EMC元件的干擾，也就是信號(hào)頻率要在濾波器的通帶之內(nèi)。整個(gè)供電系統(tǒng)的外殼也需要有良好的屏蔽特性，接縫處要符合 EMC規(guī)定的屏蔽要求。通過(guò)上述措施保證供整流逆變器既不受外部電磁環(huán)境的干擾也不會(huì)對(duì)外部電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

如今在電機(jī)用途應(yīng)用越來(lái)越廣泛 DE的情況下，EMI問(wèn)題成為了電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素，也是一個(gè)最容易忽視的方面。因此，電機(jī)供電系統(tǒng)的 EMI抑制技術(shù)在電機(jī)設(shè)計(jì)中占有很重要的位置。實(shí)踐證明，EMI問(wèn)題越早考慮、越早解決，費(fèi)用越小、效果越好。

[1]許士玉. 國(guó)內(nèi)電磁兼容檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介. 安全與電磁兼容,2002, (5):50～53.

[2]J.Cros, S.Astier, J.M.Vinassa, etal. EMI Tests on a Brushless Actuator: Comparision of Operation Modes.Proceedings of the Fifth European Conference on Power Electronics and Applications,1993,(7):138～143.

[3]周志敏, 周紀(jì)海, 紀(jì)愛(ài)華. 開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. [S.1.]:人民郵電出版社,2004.

[4]M. Cacciato, C. Cavallaro, G. Scarcella, etal. Effects of Connection Cable Length on Conducted EMI in Electric Drives. Electric Machines and Drives, 1999 International Conference IEMD’99, May1999,428 ～430.